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Un nuevo estudio muestra que una mucosidad más espesa potencia la capacidad de las bacterias para autoorganizarse en enjambres para propagar infecciones
La viscoelasticidad mejora el movimiento colectivo de las bacterias
Las bacterias forman la microbiota humana y animal. Son las principales causas de muchas infecciones y constituyen una clase importante de materia activa. Las suspensiones bacterianas concentradas exhiben una locomoción y un enjambre de tipo turbulento a gran escala. Si bien el comportamiento colectivo de las bacterias en los fluidos newtonianos se comprende relativamente bien, muchas preguntas fundamentales siguen abiertas para los fluidos complejos.
Aquí, informamos sobre el movimiento bacteriano colectivo en un entorno viscoelástico biológico no newtoniano representativo ejemplificado por el moco. Los experimentos se realizan con moco gástrico porcino sintético, moco cervical natural de vaca y una solución de polímero similar a Newton.
Hemos descubierto que un aumento en la concentración de mucina y, correspondientemente, un aumento en la elasticidad de la suspensión aumenta de manera monótona la escala de longitud de la locomoción bacteriana colectiva. Por el contrario, esta longitud permanece prácticamente sin cambios en una solución de polímero newtoniano en un amplio rango de concentraciones.
Las observaciones experimentales están respaldadas por modelos computacionales. Nuestros resultados proporcionan información sobre cómo la viscoelasticidad afecta la organización espaciotemporal de la materia activa bacteriana. También amplían nuestra comprensión de la colonización bacteriana de las superficies mucosas y la aparición de resistencia a los antibióticos debido al enjambre.
Declaración de importancia
El moco, una sustancia viscoelástica parecida a un gel, es esencial para muchas funciones biológicas. El moco recubre las superficies de las células y los tejidos. Es permeable al oxígeno y a los nutrientes y protege contra patógenos como bacterias, hongos y virus. Comprender la motilidad bacteriana en fluidos similares al moco proporciona información sobre las infecciones nacidas de bacterias, incluidas las enfermedades gástricas y de transmisión sexual. Este trabajo demuestra que la viscoelasticidad del moco mejora la organización bacteriana, lo que lleva a la aparición de grupos bacterianos que se mueven coherentemente. Los resultados arrojan luz sobre cómo la viscoelasticidad controla la organización espaciotemporal de las comunidades bacterianas y proporcionan información sobre cómo controlar y prevenir la invasión bacteriana de las superficies mucosas.
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Un nuevo estudio muestra que una mucosidad más espesa potencia la capacidad de las bacterias para autoorganizarse en enjambres para propagar infecciones
Los resfriados, los estornudos y los golpes de nariz que moquean son las características de la temporada de resfriados y gripe, y ese aumento del moco es exactamente lo que las bacterias usan para montar un ataque coordinado contra el sistema inmunológico, según un nuevo estudio de investigadores de Penn State. El equipo descubrió que cuanto más espesa es la mucosidad, mejor pueden proliferar las bacterias. Los hallazgos podrían tener implicaciones para los tratamientos que reducen la capacidad de propagación de las bacterias.
El estudio, publicado en la revista PNAS Nexus, demuestra cómo las bacterias utilizan el moco para mejorar su capacidad de autoorganizarse y posiblemente provocar infecciones. Los experimentos, realizados con moco sintético del estómago de cerdo, moco cervical natural de vaca y un compuesto polimérico soluble en agua llamado polividona, revelaron que las bacterias coordinan mejor el movimiento en el moco espeso que en sustancias acuosas.
Los hallazgos proporcionan información sobre cómo las bacterias colonizan el moco y las superficies mucosas, dijeron los investigadores. Los hallazgos también muestran cómo el moco mejora el movimiento colectivo bacteriano, o enjambre, lo que puede aumentar la resistencia a los antibióticos de las colonias bacterianas.
«Hasta donde sabemos, nuestro estudio es la primera demostración de bacterias nadando colectivamente en moco», dijo Igor Aronson, profesor de Ingeniería Biomédica, Química y Matemáticas de la Cátedra Huck en Penn State y autor correspondiente del artículo. «Hemos demostrado que el moco, a diferencia de los líquidos de consistencia similar, mejora el comportamiento colectivo».
El moco es esencial para muchas funciones biológicas, explicó Aronson. Recubre las superficies de células y tejidos y protege contra patógenos como bacterias, hongos y virus. Pero también es el material huésped de infecciones bacterianas, incluidas enfermedades gástricas y de transmisión sexual. Según Aronson, una mejor comprensión de cómo pululan las bacterias en la mucosidad podría allanar el camino para nuevas estrategias para combatir las infecciones y el creciente problema de la resistencia a los antibióticos.
«Nuestros hallazgos demuestran cómo la consistencia del moco afecta el movimiento aleatorio de bacterias individuales e influye en su transición al movimiento colectivo coordinado de grandes grupos bacterianos», dijo Aronson. «Hay estudios que demuestran que el movimiento colectivo o el enjambre de bacterias mejora la capacidad de las colonias bacterianas para defenderse del efecto de los antibióticos. La aparición del comportamiento colectivo estudiado en nuestro trabajo está directamente relacionado con el enjambre».
El moco es una sustancia notoriamente difícil de estudiar porque exhibe propiedades tanto líquidas como sólidas, explicó Aronson. Los líquidos generalmente se describen por su nivel de viscosidad, qué tan espeso o delgado es el líquido, y los sólidos se describen por su elasticidad, cuánta fuerza puede ser necesaria antes de romperse. El moco, un fluido viscoelástico, se comporta tanto como líquido como como sólido.
Para comprender mejor cómo se infecta el moco, el equipo utilizó técnicas de imágenes microscópicas para observar el movimiento colectivo de la bacteria concentrada Bacillus subtilis en el moco sintético del estómago de cerdo y en el moco cervical natural de la vaca. Compararon esos resultados con observaciones de Bacillus subtilis moviéndose en un polímero polividona soluble en agua en una amplia gama de concentraciones, desde niveles altos a bajos de polividona. Los investigadores también compararon sus resultados experimentales con un modelo computacional para el movimiento colectivo bacteriano en fluidos viscoelásticos como el moco.
El equipo descubrió que la consistencia del moco afecta profundamente el comportamiento colectivo de las bacterias. Los resultados indicaron que cuanto más espeso era el moco, más probabilidades había de que las bacterias exhibieran un movimiento colectivo, formando un enjambre coordinado.
«Pudimos demostrar cómo la viscoelasticidad del moco mejora la organización bacteriana, lo que a su vez conduce a grupos bacterianos que se mueven de manera coherente y causan infección», dijo Aronson. «Nuestros resultados revelan que los niveles de elasticidad y viscosidad del moco son un factor importante en la forma en que se organizan las comunidades bacterianas, lo que puede proporcionar información sobre cómo podemos controlar y prevenir la invasión bacteriana en el moco».
Aronson explicó que el equipo espera que el moco humano muestre propiedades físicas similares, lo que significa que sus hallazgos también son relevantes para la salud humana.
«El inicio del movimiento colectivo de las bacterias y su interacción con el moco debería ser el mismo que en el moco de vaca, cerdo o humano, ya que estas sustancias tienen propiedades mecánicas similares», dijo Aronson. «Nuestros resultados tienen implicaciones para la salud humana y animal. Estamos demostrando que la viscoelasticidad del moco puede mejorar el movimiento colectivo de bacterias a gran escala, lo que puede acelerar la rapidez con la que las bacterias penetran la barrera protectora del moco e infectan los tejidos internos».
Ver más información: Liao W, Aranson IS. Viscoelasticity enhances collective motion of bacteria. PNAS Nexus[Internet].2023[citado 10 dic 2023]; 2(9): 291. https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgad291
11 diciembre 2023 | Fuente: IntraMed | Tomado de |Noticias médicas
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Científicos del CSIC han participado en el análisis de las características viscoelásticas de las lágrimas naturales empleando una técnica basada en la dispersión de la luz
Científicos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en el Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC) han participado en un estudio que ha determinado las propiedades viscoelásticas de las lágrimas humanas. Las conclusiones derivadas de este trabajo, que aparece publicado en la revista Physics of Fluids y para el que se han probado diez formulaciones distintas de productos de hidratación ocular artificial, abren el camino al diseño de colirios más eficaces y adaptados a las necesidades del paciente.
En comparación con los colirios, las lágrimas naturales presentan una composición mucho más compleja. Contienen una amplia gama de componentes, como diversos tipos de lípidos, carbohidratos, proteínas, agua y sales. Esta mezcla compleja les confiere su espesor ideal y su capacidad para hidratar los ojos, un diseño difícil de replicar con menos ingredientes.
Los investigadores del IEM, en colaboración con investigadores del Polymat (UPV/EHU), del Departamento de Biología Celular e Histología y el Grupo de Biología (UPV/EHU), del Hospital Universitario de Donostia y la clínica oftalmológica Miranza Begitek, han analizado propiedades como la viscosidad, la elasticidad, la estabilidad y los efectos de diferentes concentraciones de componentes en lágrimas y colirios. Además, han examinado el comportamiento de los líquidos bajo estrés, como durante el parpadeo.
Para examinar los diminutos volúmenes de las lágrimas, se han empleado métodos de microrreología, los cuales son capaces de monitorizar en el líquido el movimiento de partículas del tamaño por debajo de una micra mediante la técnica denominada dispersión dinámica de la luz (DLS, sus siglas en inglés), que utiliza la luz dispersada por dichas partículas para revelar las propiedades del líquido en diferentes condiciones.
“Este estudio permitirá adaptar las formulaciones y características de los colirios utilizados en patologías como el ojo seco, para complementar las peculiaridades individuales y lograr una mayor eficacia. Es la primera vez que se aplican estos métodos al estudio de las lágrimas, lo que tiene implicaciones tanto para el conocimiento fundamental de este tipo de fluidos como para el diseño de materiales funcionales con propiedades específicas deseadas», señala Juan F. Vega, investigador del CSIC en el IEM.
Los investigadores creen que este enfoque podría aplicarse también al estudio de otros fluidos biológicos. Los autores planean seguir explorando formulaciones más complejas de productos de hidratación ocular artificial y ampliar su investigación al estudio de lágrimas humanas con aplicación en el tratamiento diferentes patologías.
«Mediante un ajuste cuidadoso, los productos de hidratación ocular artificial pueden adaptarse para satisfacer necesidades específicas, como estabilidad, lubricación e hidratación, y para imitar las lágrimas naturales», afirma Vega. «En última instancia, este trabajo tiene como objetivo mejorar la comodidad y el bienestar de las personas que experimentan síntomas de ojo seco», concluye.
Fuente: Dicyt
Referencia: Vega JF, Fernández M, Cardil A, Calafel I, Martínez-Soroa I,Pérez Sarriegui A, Acera A. Shedding light on the viscoelastic behavior of artificial and human tears: A microrheological approach. Physics of Fluids 35, 072008 (2023) https://doi.org/10.1063/5.0152482
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